无线传感器网络在加密气象观测中的试用研究

尹常红+王义琴+胡雅超+颜国跑

摘要：无线传感器网络在武汉市气象局开展加密观测试用研究。在对比观测中发现无线传感器节点采集的气温总体比气象观测标准温度偏高；在晴天太阳辐射相对较大的情况下，随着太阳辐射量的增加，误差加大。然而，基于无线传感器网络的加密气象观测系统能够提高气象观测的时空密度，能够降低数据采集和传输的复杂性，在城市防灾减灾和大型社会活动的气象保障服务中，具有一定的服务优势。

关键词：无线传感器；加密观测；温度；太阳辐射；气象服务

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0013-02

Research on Wireless Sensor Networks in Intensive Weather Observation

YIN Chang-hong， WANG Yi-qin， HU Ya-chao， YAN Guo-pao

（Wuhan Meteorological Bureau， Wuhan 430048， China）

Abstract： Trial study conducted intensive observations of wireless sensor networks in Wuhan Meteorological Bureau. In the comparative observation， it is found that the temperature collected by the wireless sensor nodes is generally higher than the standard temperature of meteorological observation. When the solar radiation is relatively large on a sunny day， the error increases as the solar radiation increases. However， the meteorological observation system Based on wireless sensor network can improve the space-time density of meteorological observation and reduce the complexity of data collection and transmission. It has certain service advantages in meteorological support services of urban disaster prevention and mitigation and large-scale social activities.

Key words： wireless sensor； intensive weather observation； temperature； solar radiation； meteorological support service

1 概述

1.1 无线传感器网络

无线传感器网络是由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。

无线传感器网络具有众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。无线传感器网络技术可应用于气象、军事、航空、救灾、环境、工业、商业等领域。

1.2 气象领域应用

无线传感器网络在国内气象部门尚未正式业务应用，只有一些气象类高校在开展相关研究。随着武汉气象事业的不断发展和经济社会对气象服务需求的不断增强，探索现代气象观测新技术，为城市发展和社会活动保障提供专业气象服务愈加重要。武汉市气象局基于无线传感器网络开展了加密气象观测系统的试用研究。

2 基于无线传感器网络的加密观测系统设计

根据研究试用需要，2013年在武汉观象台部署了基于无线传感器网络的加密气象观测系统，实现气象数据的高时空密度下的精确采集，稳定传输与快速存储，同时开发可视化展示与管理软件平台，对数据进行分析处理，研究基于无线传感器网络的气象加密观测系统开展相关专业气象服务的可能。

2.1 硬件系统

实地部署加密氣象观测无线传感器节点13个，实现单汇聚节点网络架构，高空间密度监测模式下，各类气象要素监测数据的采样周期小于5分钟/次。

系统的架构如图1所示。它是无线传感器网络在气象观测上的应用，所以它具有无线传感器网络的结构和特征。它包含传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点。传感器节点所采集的数据沿着其他传感器节点逐跳传输到汇聚节点，最后用户通过管理节点收集采集到的数据，同时用户能通过管理节点进行无线传感器网络配置管理。

气象观测传感器节点采用2.4GHz ISM频段通信，实现有效通信距离1km以上，满足气象传感应用对数据进行远距离传输的特殊需求。处理器拟通过I2C总线连接A/D转换器，实现对传感器模拟信号的数字采样；通过UART/RS232/I2C总线连接外部数字传感器，实现对传感器数字信号的接收；通过SPI总线连接数据存储单元，实现采样数据的本地存储。

所有传感器节点均装备微型温湿度传感器，能够提供基本的气象要素观测，满足一般场合的气象服务需求。该节点可以根据加密观测需要，装配气象专业传感器，观测要素包括温度、湿度、风速、风向、气压、降水量等。endprint

2.2 软件开发

根据需要开发了基于无线传感器网络的加密气象观测系统软件，主要模块包括：无线传感器节点程序、数据处理与控制系统、基站端显示与管理平台、传感器网络气象服务平台四部分。

1） 无线传感器节点程序：包括驱动、协议及嵌入式软件系统等，基于TinyOS开发，实现气象要素数据的采集，处理与传输。

2） 数据处理与控制程序：实现对无线传感器网络的应用控制和对监测数据的解码处理。

3） 基站端显示与管理平台：基于.NET技术，实现无线传感器网络的可视化网络拓扑展示、实时数据显示、数据分析、事件预警、节点控制、数据发布管理等功能。

4） 传感器网络气象服务平台：基于无线传感器网络开发WEB服务平台，实现基于百度地图的实时气象信息显示、气象数据分析、个性化气象服务等功能。

2.3 试验研究结果

无线传感器节点能够自组织网络，图2显示了在武汉观象台布置的传感器节点的拓扑图，这些传感器节点分布在观测场、农业气象试验田、业务楼以及大院外的马路边。通过试用发现，这些节点能自动组网，完成观测数据的时空加密采集和无线传输，在一般遮挡环境下，实现了最远大约1km的节点有效连接。如87号节点，布置在马路边的电线杆上，距离中心站超过900米，且有一些树叶遮挡，但是在试用研究中，该站数据通信十分稳定。

选取2014年3月9日—14日无线传感器采集到的数据与武汉国家基本气象站观测到的数据进行分析对比，发现：无线传感器节点采集的气温总体比观测站数据偏高，在3月12日13日，两者的数据的差异最小，分析当日天气情况，12日和13日天气现象是小雨，剩下的天数则偏差更多，可以发现，数据不同程度地要大于标准数据。以此推断，没有百叶箱等的防护是数据偏高的重要原因，特别是在有强烈阳光照射的天气情况下，偏差会变成更大。见图4。

地球大气最根本、最主要的能量来源是太阳辐射。热太阳辐射到达地面后，一部分被反射，一部分被地面吸收，使地面增热；地面再通过辐射、传导和对流把热传给空气，这是近地面大气热量的主要来源。

为了分析太阳辐射对本文温湿度传感器的影响程度，对照武汉国家基本气象站正点气象辐射数据，使用每小时太阳总辐射辐照度数据进行数据分析。首先对采集的数据进行小波滤波，之后分析滤波后的数据与标准数据的差异。为了便于分析，本文使用滤波数据与标准数据的绝对误差、当日每小时辐射量进行比较，效果如图5所示。

从图5中推断，在晴朗的天气，相对太阳辐射大的情况下，随着每小时辐射量的增加，误差开始增加；与此相对，在太阳辐射低，即雨天情况下，比如3月12日，误差稳定相对较小。

节点自带的温室度传感器采集到观测数据，与气象专业传感器采集的观测数据，在精度上有一定的误差，暂不能作为气象观测数据使用，但是可以应用在一些数据要求不是太精确的场合，比如园艺博览会、一般社会活动等。如果需要精确数据，可以装配气象专业传感器进行要素观测。

3 结束语

基于无线传感器网络的加密气象观测系统能够提高气象观测的密度，能够降低数据采集和传输的复杂性。无线传感器网络具有固定观测仪器不可比拟的优点，它可以在一些极端情况下，比如发生大的自然灾害、或者一些偏远地区没有无线通信信號覆盖的情况下，可以不借助电信通信网络，快捷组网，传输观测资料；也可以在一些大型活动现场，在不方便布设传统自动气象站的地方，布设微型传感器节点，提供现场气象保障服务。基于无线传感器网络，在气象应用中能够为综合气象观测、气象应急减灾和公共气象服务提供基础支撑，在大城市气象服务中，特别是在城市防灾减灾和大型社会活动的气象保障服务中，具有一定的服务优势。

参考文献：

[1] 王殊，闫毓杰，胡富平，等.无线传感器网络的理论与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 崔炳俭，董卫红.无线传感器网络在气象领域的应用与研究[J].环境科学与技术，2010，23（6E）：55-57.

[3] 唐慧强，庄安荣.一种气象数据采集传输系统的设计[J].电子技术应用，2011，37（3）：82-85.

[4] 刘荣，周杰，杜景林.基于无线传感器网络的气象数据观测系统的设计[J].安徽农业科学，2012，40（8）：5026-5029.endprint